DE3410261C2 - Verdampfungskühlvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Verdampfungskühlung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der flüssiges Kühlmittel mittels Sprühdüsen oder anderer Mittel auf heiße Ionen, insbesondere auf die Wandungen der Brennraumzonen aufgesprüht wird, wobei die Menge des aufgesprühten Kühlmittels in Abhängigkeit von der Maschinentemperatur bzw. geeigneter Betriebsparameter steuerbar ist.

Description

Zylinder die Anordnung von Sprühkanälen in der Außenwand des Kühlmantels.

In F i g. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit Verdampfungskühlung dargestellt Sie umfaßt einen Vorratsbehälter 2 in dem ein flüssiges Kühlmittel, z. B. Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und einem zu Kühlzwekken geeigneten Alkohol, gespeichert ist Der Vorratsbehälter 2 ist über eine Vorlaufleitung 3 mit dem Kühlmantel der Brennkraftmaschine verbunden. In der Vorlaufleitung 3 befindet sich eine Kühlmittelpumpe 4, die bei Kühlbedarf das Kühlmittel aus dem Vorratsbehälter 2 unter Druck in einer noch näher zu beschreibenden Weise in den Kühlmantel bzw. auf die Wandungen der Brennraumzonen fördert Die Vorlaufleitung 3 mündet in einen Verteiler 5, von dem aus das Kühlmittel zu einem ersten kurbelgehäuseseitigen Kühlmantelbereich 6 und/oder einem zweiten zylinderkopfseitigen Kühlmantelbereich 7 verteilt wird. Das auf die Wandungen der Brennraumzonen, insbesondere die Wandungen der Brennräume und der Gaswechselkanäle im Zylinderkopf aufgesprühte flüssige Kühlmittel verdampft unter Aufnahme von Wärme aus den Wandungen und wird aus dem Kühlmantel über eine Kondensatorleitung 8 in einen Kondensator 9 abgeleitet Das im Kondensator 9 rückgekühlte flüssige Kühlmittel gelangt über eine Rücklaufleitung 10 in den Vorratsbehälter 2 zurück. In der Kondensatorleitung 8 befindet sich ein Steuerventil 11, von dem eine Kreislaufleitung 12 durch einen Wärmetauscher 13 der Fahrzeugheizung in die Rücklaufleitung 10 führt, über die zur Heizung des Fahrzeuginnen· raumes die gesamte Menge des Kühlmitteldampfes oder ein Teil davon abgezweigt werden kann. Die Aufteilung des Kühlmittelstromes in die einzelnen Kühlmantelbereiche 6 und 7 erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur an den Wandungen der Brennräume. Hierzu sind an diesen mehrere verteilt angeordnete Thermoelemente angebracht, von denen jeweils nur ein Thermoelement 14 im zylinderkopfseitigen Kühlmantelbereich 7 und ein Thermoelement 15 im kurbelgehäuseseitigen Kühlmantelbereich 6 dargestellt ist Die Thermoelemente 14 und 15 sind über Kontaktleitungen 16 und 17 an eine zentrale Steuereinheit 18 angeschlossen, von der aus signalübertragende Leitungen 19,20 zur Kühlmittelpumpe 4 und dem Verteiler 5 führen.

Die zentrale Steuereinheit 18 ist über eine Kontaktleitung 21 mit einer Batterie 22 als elektrische Stromquelle verbunden, in Abhängigkeit von den über die Thermoelemente 14 und 15 erfaßten Bauteiletemperaturen der Maschine wird von der Steuereinheit 18 an der Kühlmittelpumpe die zur Kühlung der Bauteile benötigte Kühlmittelfördermenge eingestellt. Außerdem werden von der Steuereinheit 18 im Verteiler 5 nicht näher dargestellte Steueröffnungen für die Aufteilung der Kühlmittelmenge in die Kühlmantelbereiche 6 und 7 derart gesteuert, daß das Kühlmittel entweder in den Kühlmantelbereich 6 oder 7 oder in beide Kühlmantelbereiche 6 und 7 gefördert wird.

Bei kalter Maschine sowie in der Kaltstart- und Warmlaufphase ist die Kühlmittelpumpe 4 abgeschaltet. Da nun in der Kühlphase nur so viel Kühlmittel auf die Wandungen gesprüht wird, wie durch Wärmeaufnahme verdampft, sind die Kühlmantelbereiche bei kalter Maschine sowie in der Kaltstart- und Warmlaufphase ohne Kühlmittel. Da somit kein Kühlmittel am Anwärmvorgang der Maschine teilnimmt, wird eine sehr schnelle Anwärmung der Wandungen der Brennräume auf eine Betriebstemperatur erreicht, bei der sich in den Brennräumen günstige Verbrennungsverhältnisse sowohl hinsichtlich der Laufeigenschaften der Maschine als auch hinsichtlich geringer Anteile an schädlichen Abgasbestandteilen einstellen. Erst wenn die Wandungen ihre Betriebstemperatur erreicht haben, wird die Kühlmittelpumpe J von der Steuereinheit IS eingeschaltet und auf die zur Kühlung notwendige Kühlmittelfördermenge eingestellt Die Verteilung des Kühlmittels an die jeweils zu kühlenden Wandungen erfolgt über den Verteilers.

Anstelle einer temperaturabhängigen Steuerung ist es denkbar, die Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, oder in einer Kombination aus einer Temperatur- und Betriebsparameter-Steuerung einzustellen.

Aus F i g. 2 ist anhand der vergrößerten Schnittdarstellung durch einen Zylinder der Brennkraftmaschine 1 die Lage des Kühlmantelbereiches 6 im Zylinderkopf 23 sowie des Kühlmantelbereiches 7 im Kurbelgehäuse 24 verdeutlicht Der Kühlmantelbereich 7 überdeckt dabei im wesentlichen die Wandungen 25 der Gaswechselkanäle 26 und 27, während der Kühlmantelbereich 6 die Wandungen 28 des Brennraumes 29 umschließt Zur Kühlung der Wandungen 28 sind in die Außenwände 33 des Kurbelgehäuses 24 Sprühdüsen 30 eingesetzt, die über Kühlmittelleitungen 31 entweder an den Verteiler 5 oder direkt an die Vorlaufleitung 3 angeschlossen sind. Das durch die Kühlmittelleitungen 31 unter Druck geförderte Kühlmittel wird über die Sprühdüsen verteilt als Sprühnebel oder in Form von feinen Sprühstrahlen 32 auf die Wandungen 28 aufgesprüht. Unter Aufnahme von Wärme aus den Wandungen 28 verdampft dabei das Kühlmittel. Wie bereits erwähnt, wird die Menge des unter Druck aufgesprühten Kühlmittels dabei in Abhängigkeit von der Wandtemperatur oder den Lastzustand der Maschine 1 erfassenden Betriebsparametern derart dosiert, daß .möglichst ohne Rückstand von verdampftem Kühlmittel eine optimale Kühlung der Wandungen 25 und 28 erzielt wird. Dabei sind die Sprühdüsen 30 auf dem gesamten Bereich der Wandungen 28 aller Zylinder so verteilt angeordnet, daß eine gleichmäßige Kühlung gegeben ist. Die Kühlung der Wandung 25 erfolgt über einen Kühlmittelkanal 34, der in einer Außenwand 35 des Zylinderkopfes 23 in Maschinenlängsrichtung verläuft. Der Kühlmittelkanal 34 besitzt dabei auf die Wandung 25 gerichtete düsenartige Sprühbohrungen 36 und ist ebenfalls wie die Sprühdüsen 30 an den Verteiler 5 oder direkt an die Vorlaufleitung 3 angeschlossen.

Gemäß Fig.3 ist der Kühlmantelbereich 7 im Zylinderkopf 38 sowie der Kühlmantelbereich 39 im Kurbelgehäuse 40 jeweils durch eine perforierte Trennwand 41 bzw. 42 in einen Kühlmittelzufuhrkanal 43 bzw. 44 und in einen Sprühraum 45 bzw. 46 unterteilt. Die Trennwände 41 und 42 sind ganzflächig mit düsenartigen feinen Sprühbohrungen 47 und 48 versehen, durch die aus den Kühlmittelzufuhrkanälen 43 und 44 unter Druck zugeführtes Kühlmittel auf die Wandungen 49 und 50 der Maschine aufgesprüht wird. Um eine optimale Kühlung der Wandung 50 zu erreichen, ist der Kühlmittelzufuhrkanal 44 in verschiedene Kanalabschnitte 50 bis 52 unterteilt, die jeweils für sich mit Kühlmittel aus dem Verteiler 5 beaufschlagbar sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 sind aus baulichen Vereinfachungsgründen in der Außenwand 53 des kurbelgehäuseseitigen Kühlmantelbereiches 54 "in Längsrichtung der Maschine verlaufende Kühlmittelkanäle 55 eingegossen, die mit Spühbohrungen 56 zum Aufsprühen des flüssigen Kühlmittels auf die Wandungen 57 versehen sind. Die im wesentlichen über die gan-

ze Höhe des Kühlmantelbereiches 54 angeordneten Kuhlmittelkanäle 55 haben jeweils einen solchen Abstand voneinander, daß eine möglichst ganzflächige und gleichmäßige Besprühung der Wandung 57 erfolgt. Unabhängig hiervon können jedoch die in den sehr heißen Brennraumzonen angeordneten Kühlmittelkanäle zur intensiveren Kühlung der beireffenden Wandungsabschnitte mit kleineren Abständen voneinander angeordnet sein.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

1 2 mittelmenge bei Erreichen eines vorgegebenen Kühl- Patentansprüche: mittelstandes verringert wird. Von Nachteil ist, daß die gesamte Kühlmittelmenge

1. Verdampfungskühlvorrichtung für Brennkraft- zunächst nur auf den Zylinderkopfboden aufgesprüht maschinen mit einem zylinderkopfseitigen und ei- 5 wird. Dabei nimmt das Kühlmittel bereits soviel Wärme nem kurbelgehäuseseitigen Kühlmantel, mit im zy- aus dem Zylinderkopfboden auf, daß für die Kühlung linderkopfseitigen Kühlmantel angeordneten Sprüh- der Zylinderwände nur noch eine geringe Wärmekapadüsen, von denen aus die den Kühlmantel zum zität zur Verfügung steht Hierdurch ergeben sich unter-Brennraum hin begrenzenden Wandungen mittels schiedliche Temperaturen zwischen Zylinderwand und eines von einer Kühlmittelpumpe aus einem Kon- io Zylinderkopfboden, die zu unerwünschten Wärmespandensator unter Druck geförderten flüssigen Kühl- nungen im Zylindergehäuse und zu unerwünschten mittels besprühbar sind, ferner mit von der Kühlmit- Wärmedehnungen in der Dichtungsebene zwischen Zytelpumpe in den kurbelgehäuseseitigen Kühlmantel linderkopf und Zylindergehäuse führen können, gefördertes und an dessen Brennraumwand entlang- Des weiteren ist von Nachteil, daß infolge der starken strömendes Kühlmittel, wobei das innerhalb der 15 Dampfentwicklung am Zylinderkopfboden Dampfbla-Kühlmäntel durch Aufnahme von Wärme aas den sen entstehen, welche nicht nur verhindern, daß sich das Brennraumwänden verdampfte Kühlmittel über ei- nachfolgend von den Sprühdüsen abgespritzte Kühlmitne Leitung in den Kondensator rückführbar ist, und tel an den Zylinderkopfboden anlegen kann, sondern mit einer Steuereinheit zur Steuerung des den auch, daß Kühlmittel als zusammenhängender Kühlmit-Sprühdüsen zugeführten flüssigen Kühlmittels, d a - 20 telstrom zu den Zylinderwänden abfließen kann, durch gekennzeichnet, daß in dem vom zy- Dies führt insbesondere im Obergangsbereich zwilinderkopfseitigen Kühlmantel (6) abgetrennten kur- sehen Zylinderkopfboden und Zylinderwand zu einem belgehäuseseitigen Kahlmantel (7, 54) weitere Wärmestau, durch den die bereits vorhandenen Wärme-Sprühdüsen (30,56) angeordnet sind, denen von der spannungen noch verstärkt werden. Kühlmittelpumpe (4) aus flüssiges Kühlmittel unter 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der Druck zuführbar ist, und daß die zugeführte Kühl- japanischen Patentanmeldung bekannte Verdampmittelmenge in Abhängigkeit von die Bauteiletem- fungskühlvorrichtung derart auszubilden, daß eine peratur erfassender Thermoelemente (14,15) in ei- gleichmäßige Kühlung aller den Brennraum eines Zylinner Steuereinheit (18) ermittelt und von einem zwi- ders umgebenden Wandungen bei Einsatz einer auf die sehen Kühlmittelpumpe (4) und den Kühlmänteln (6, 30 Wandtemperaturen optimal abgestimmten Kühlmittel-7,54) angeordneten Verteiler (5) in für jeden Kühl- menge erreicht wird.

mantel (6, 7, 54) bestimmte Teilmengen aufgeteilt Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennwird, zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen

2. Verdampfungskühlvorrichtung nach Anspruch Merkmale gelöst.

1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenwän- 35 Durch die Anordnung von weiteren Sprühdüsen im den (35,53) der Kühlmantelbereiche (6 und 7) Kühl- kurbelgehäuseseitigen Kühlmantel wird eine gleichmämittelkanäle (34,55) angeordnet sind, die mit auf die ßige Kühlung aller den Brennraum umgebenden Wand-Wandungen (25,57) der Brennraumzonen gerichte- teile und, da die Kühlmittelmenge in Abhängigkeit der ten Sprühbohrungen (36,56) versehen sind. Bauteiltemperatur eingestellt wird, in allen Betriebszu-

3. Verdampfungskühlvorrichtung nach Anspruch 40 ständen eine annähernd konstante Temperatur in den 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmit- brennraumsekigen Wandteilen erzielt telzufuhrkanal (44) durch nach innen vorspringende Es wird nur dann Kühlmittel in den jeweiligen Kühl-Längsrippen (58) der Außenwand des Kühlmantel- mantel eingespritzt, wenn dies entsprechend der Bauteibereiches (6) in Kanalabschnitte (50—52) unterteilt letemperatur oder dem Lastzustand der Brennkraftmaist. 45 schine erforderlich ist

Bei kalter Brennkraftmaschine ist die KUhlmittelzu-

fuhr in den Kühlmantel unterbunden, so daß sich in

diesem kein Kühlmittel befindet Durch den trockenen Kühlmantel wird somit den Brennraumwandungen in

Die Erfindung betrifft eine Verdampfungskühlvor- 50 der Kaltstart- und Warmlaufphase keine Wärme entzorichtung für Brennkraftmaschinen mit einem zylinder- gen. Somit können diese ungünstigen Betriebszustände kopfseitigen und einem kurbelgehäuseseitigen Kühl- der Brennkraftmaschine innerhalb kürzester Zeit übermantel gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. wunden werden.

Aus dem JP-Abstract 56-159514(A) ist eine gattungs- Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen

gemäße Verdampfungskühlvorrichtung bekannt, bei 55 Verdampfungskühlung sind Gegenstand der Unterander zur Kühlung der Zylinderaußenwände flüssiges Sprüche.

Kühlmittel von Sprühdüsen am zylinderkopfseitigen In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Aus

Kühlmantel unmittelbar auf jeden Zylinderkopfboden führungsbeispielen näher erläutert aufgesprüht wird. Dabei verdampft ein Teil der aufge- Es zeigt

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einem Wärmetauscher abgeleitet wird. Das nicht ver- maschine mit der erfindungsgemäßen Verdampfungs-

dampfte Kühlmittel gelangt durch Kanäle zum kurbel- kühlvorrichtung.

gehäuseseitigen Kühlmantel, wo es durch Aufnahme F i g. 2 Die Brennkraftmaschine aus F i g. 1 in einem

|ίί von Wärme aus den Zylinderwänden weiter erhitzt wird teilweisen Querschnitt durch einen Zylinder. * ϊ und dabei ganz oder teilweise verdampft. An den Zylin- 65 F i g. 3 in einem Querschnitt durch einen Zylinder eine

derwänden nicht verdampftes Kühlmittel sammelt sich im Kühlmantel angeordnete Trennwand mit Sprühöff-

i§ im unteren Teil des Kühlmantels und wird von Sensoren nungen.

ff erfaßt, von denen aus gesteuert die eingespritzte Kühl- F i g. 4 in einem teilweisen Halbschnitt durch einen